Det dagliga livet på den internationella rymdstationen går fort. Riktigt snabbt. I en hastighet av cirka 17 000 miles i timmen, 300 miles över jorden, ser astronauterna 16 soluppgångar och solnedgångar varje ”dag” samtidigt som de flyter runt i en låda tillsammans med en handfull människor som de är beroende av för sin överlevnad.

Man behöver inte se längre än till Hollywoods storsäljare som ”Marsmänniskan”, ”Gravity” och ”Interstellar” för att få en futuristisk vision av livet bortom jorden när vi vågar oss längre och djupare in i yttre rymden. Men hur reagerar människokroppen på verkliga rymdfärder – vilka är hälsoeffekterna? Kommer rymdresenärer att åldras annorlunda än vi på jorden? Hur anpassningsbara är vi till rymdmiljön?

Detta är säkerligen frågor som oroar NASA. Hur rymdresor och långvariga uppdrag kan förändra människokroppen, och om dessa förändringar är permanenta eller reversibla när astronauterna återvänder till jorden, är till stor del okänt. Möjligheten att utforska dessa spännande frågor uppstod med de enäggstvillingar som är astronauter Scott och Mark Kelly.

I november 2012 valde NASA astronauten Scott Kelly för sitt första ettåriga uppdrag. Vid en presskonferens inte långt därefter var det Scott som antydde att det här uppdraget kanske skulle ge en chans att jämföra rymdlivets inverkan på hans kropp med hans jordlevande enäggstvillingbror Mark Kelly, som också hade varit astronaut och före detta testpilot i flottan. Det är anmärkningsvärt att Kellys tvillingar var individer med liknande ”natur (genetik) och uppfostran (miljö)”, och därför tänkte man sig det perfekta rymdexperimentet – med ”rymdtvillingar och jordtvillingar” som stjärnor. Scott skulle tillbringa ett år i rymden på den internationella rymdstationen, medan hans identiska tvillingbror Mark skulle stanna kvar på jorden.

Nasa:s TWINS-studie är den mest omfattande bild av människokroppens reaktion på rymdflygning som någonsin genomförts. Resultaten kommer att vägleda framtida studier och personliga metoder för att utvärdera hälsoeffekter hos enskilda astronauter under många år framöver.

Som cancerbiolog vid Colorado State University studerar jag effekterna av strålningsexponering på mänskliga celler. Som en del av TWINS-studien var jag särskilt intresserad av att utvärdera hur kromosomernas ändar, så kallade telomerer, förändrades av ett år i rymden.

Tillgängliga hälsoeffekter av rymdlivet

NASA gjorde en utlysning och valde ut 10 peer-reviewed undersökningar från hela landet för TWINS-studien. Studierna omfattade molekylära, fysiologiska och beteendemässiga åtgärder, och för första gången någonsin hos astronauter, ”omik”-baserade studier. Vissa grupper utvärderade rymdens inverkan på genomet – hela DNA-komplementet i en cell (genomik). Andra grupper undersökte vilka gener som aktiverades och producerade en molekyl som kallas mRNA (transkriptomik). Vissa studier fokuserade på hur kemiska modifieringar – som inte ändrar DNA-koden – påverkade regleringen av generna (epigenomik). Vissa forskare undersökte de proteiner som producerades i cellerna (proteomik), medan andra granskade metabolismens produkter (metabolomik).

Det fanns också studier som undersökte hur rymdmiljön skulle kunna förändra mikrobiomet – den samling bakterier, virus och svampar som lever i och på våra kroppar. I en undersökning undersöktes immunsvaret på influensavaccinet. Andra team sökte i Scotts biologiska prover efter biomarkörer för åderförkalkning och vätskeförskjutningar uppåt i kroppen på grund av mikrogravitationen, vilket kan påverka synen och orsaka huvudvärk. Den kognitiva förmågan utvärderades också med hjälp av datorstyrda kognitionstester som är särskilt utformade för astronauter.

Mer än 300 biologiska prover – avföring, urin och blod – samlades in från tvillingarna vid flera tillfällen före, under och efter det ettåriga uppdraget.

Kellys tvillingar är utan tvekan ett av de mest profilerade paren – på eller utanför vår planet. De är också ett av de mest intervjuade. En fråga som ofta ställs är om Scott kommer att återvända från rymden yngre än Mark – en situation som påminner om ”Interstellar” eller Einsteins så kallade ”tvillingparadox”. Eftersom ISS inte rör sig i närheten av ljusets hastighet i förhållande till oss är dock tidsutvidgningen – eller fördröjningen av tiden på grund av rörelse – mycket minimal. Så en eventuell åldersskillnad mellan bröderna skulle bara vara några få millisekunder.

Till trots detta är frågan om åldrande i samband med rymdfärder och den åtföljande risken för att utveckla åldersrelaterade sjukdomar som demens, hjärt- och kärlsjukdomar och cancer – under eller efter ett uppdrag – en viktig fråga, som vi ville ta itu med direkt med vår studie av telomerernas längd.

Telomerer är kromosomernas ändar som skyddar dem från skador och från att ”fransas” – ungefär som ändan på en skosnodd. Telomererna är avgörande för att upprätthålla stabiliteten hos kromosomerna och genomet. Telomererna förkortas dock naturligt när våra celler delar sig, och så även när vi åldras. Hur snabbt telomererna förkortas med tiden påverkas av många faktorer, bland annat oxidativ stress och inflammation, kost, fysisk aktivitet, psykologiska påfrestningar och miljöexponering som luftföroreningar, UV-strålar och joniserande strålning. Telomerlängden återspeglar således en individs genetik, erfarenheter och exponering och är därför informativa indikatorer för allmän hälsa och åldrande.

Telomerer och åldrande

I vår studie föreslogs det att den unika stress och de utomvärldsliga exponeringar som astronauterna utsätts för under rymdfärden – saker som isolering, mikrogravitation, höga koldioxidhalter och galaktisk kosmisk strålning – skulle påskynda telomerförkortning och åldrande. För att testa detta utvärderade vi telomerlängden i blodprover från båda tvillingarna före, under och efter det ettåriga uppdraget.

Scott och Mark inledde studien med relativt likartade telomerlängder, vilket är förenligt med en stark genetisk komponent. Som väntat var också längden på Marks telomerer på jorden relativt stabil under studiens gång. Men till vår stora förvåning var Scotts telomerer betydligt längre vid varje tidpunkt och i varje prov som testades under rymdfärden. Det var raka motsatsen till vad vi hade förväntat oss.

För övrigt förkortades telomerlängden snabbt vid Scotts återkomst till jorden, för att sedan stabiliseras under de följande månaderna till nära genomsnittet före flygningen. Ur ett perspektiv av åldrande och risk för sjukdom hade han dock många fler korta telomerer efter rymdfärden än vad han hade innan. Vår utmaning är nu att ta reda på hur och varför sådana rymdflygningsspecifika förändringar i telomerlängdens dynamik sker.

Våra resultat kommer att ha betydelse även för jordbor, eftersom vi alla blir gamla och utvecklar åldersrelaterade sjukdomar. Resultaten från TWINS-studien kan ge nya ledtrådar till de processer som är inblandade och därmed förbättra vår förståelse för vad vi kan göra för att undvika dem eller förlänga hälsans spännvidd.

De långsiktiga hälsoeffekterna av långvariga rymdresor har ännu inte fastställts, men TWINS-studien utgör ett milstolpe-steg på mänsklighetens resa till månen, Mars och längre bort … och för att göra science fiction till science fact.